Tecnologie Solare Termodinamico e Termico 1. Principi 2. Tipologie a) parabole lineari b) torri solari c) concentratori parabolici 3. Accoppiamento Solare Termodinamico Dissalatori 4. Solare Termico IV - 0
Quadro generale Energia naturale Solare Geotermica Gravitazionale calore solare termodin. osmosi salina idroelettrico fluidi caldi luce energia cinetica materia fotovoltaico vento biomassa gradienti temperat. moto ondoso correnti marine maree IV - 1
Principi temperatura alla superficie del Sole Efficienza: con: η = η recettore η Carnot η recettore = Q assorbito Q perso Q solare η Carnot =1 T 0 T H I = intensità del calore solare (W/m 2 ) C = fattore di concentrazione A = area di raccolta della luce solare Q solare = η ottica ICA Q assorbito = αq solare Q perso = AσT 4 H (legge di Stefan-Boltzmann) η ottica = efficienza dell ottica α = assorbanza collettore ε = emittanza collettore IV - 2
Efficienza: con: η = η recettore η Carnot η recettore = Q assorbito Q perso Q solare Principi η Carnot =1 T 0 T H Ponendo, per semplicità, η ottica =1, α=1, ε=1: η = 1 σt 4 H IC 1 T 0 T H η Q solare = η ottica ICA Q assorbito = αq solare Q perso = AσT 4 H (legge di Stefan-Boltzmann) curva di massima efficienza 5000 C=10 30 100 300 1000 T H [K] IV - 3
Situazione reale η η ottica =0.75, α=0.95, ε=0.2 curva di massima efficienza 1000 5000 300 C=10 30 T H =450 C 600 C concentratori lineari 100 T H [K] T H =800 C 1200 C concentratori puntuali IV - 4
Concetti Concentratori parabolici lineari Concentratori a lenti di Fresnel Concentratori parabolici Torri solari IV - 5
Concentratori parabolici lineari Struttura (35% del costo): rigidità resistenza al vento precisione geometrica elevata (mm) basso costo e semplicità di montaggio su dimensioni tipiche di 5 m 100 m Specchi (25% del costo): autoportanti alta riflettività Tubi collettori (25% del costo): rivestimento ceramico-metallico ad elevata assorbanza della radiazione solare e bassa emissività di calore nell infrarosso rivestimento in vetro sotto vuoto (per ridurre lo scambio termico per convezione) in grado di compensare le variazioni termiche Sistema di movimentazione (15% del costo): precisione direzionale elevata (<1 mrad) in grado di portare il collettore in posizione di sicurezza in caso di vento forte (>15 m/s) Fluido di lavoro: olio a 300 400 C ENEA IV - 6
Concentratori parabolici lineari ε=16% IEA Tecnology Roadmap Concentrating Solar Power In funzione: 582 MW in Spagna 507 MW in USA In progetto: 8 GW in USA 4.5 GW in Spagna 2.5 GW in Cina IV - 7
Esempio Esempio: Progetto Archimede (ENEA) Innovazione: uso di sali fusi in un sistema a concentratori parabolici per avere una migliore conservazione del calore per gestire l intermittenza. Fonte: http://www.enea.it/com/solar/doc/documenti.html IV - 8
Torri solari Vantaggi: Alte temperature (550 C con sali fusi) Migliore conservazione dell energia termica Svantaggi: Gestione dei sali fusi ad alta temperatura (congelamento a 220 C) Problemi di copertura ed efficienza di riflessione Fonte: Abengoa Solar, Spagna IV - 9
Torri solari - Ivanpah Location: Ivanpah Dry Lake, CA Size: Approx. 14 km2 Power Production: 377 MW (Net) / 392 MW (Gross) Fonte: www.brightsourceenergy.com IV - 10
Concentratori parabolici indipendenti Vantaggi: Utile quando manca la connessione in rete Svantaggi: Alto costo Impossibile gestire l intermittenza Potenza limitata (<10 20 kw) Può essere accoppiato direttamente ad un motore di tipo Stirling, senza necessità di far circolare un fluido. Fonte: Abengoa Solar, Spagna IV - 11
Concentratori a lenti di Fresnel Vantaggi: semplicità meccanica migliore uso del suolo Svantaggi: bassa temperatura (vapore) tecnologia ancora non matura elementi mobili in una direzione Fonte: Abengoa Solar, Spagna IV - 12
Utilizzo del calore - motori turbina a gas (motore a reazione) ciclo Stirling (motore alternato a combustione esterna) ciclo standard per un generatore a vapore Fonte: William B. Stine and Michael Geyer, Power From The Sun, 2001 IV - 13
Utilizzo del calore ciclo Rankine Sistema standard per la produzione di elettricità da calore. Il fluido per il ciclo Rankine è prodotto per scambio di calore con il fluido collettore. Il tipo di fluido dipende dalla temperatura del fluido collettore. Fonte: William B. Stine and Michael Geyer, Power From The Sun, 2001 IV - 14
Utilizzo del calore ciclo Stirling rigenerazione calore Sostituisce il ciclo Rankine quando il sistema è a piccola scala (10 20 kw). Fluido: elio (grande conducibilità termica) Alta efficienza: approssima il ciclo di Carnot con il rigeneratore. Fonte: William B. Stine and Michael Geyer, Power From The Sun, 2001 IV - 15
Operazioni 1. Preriscaldamento al mattino (EP=energia spesa per il preriscaldamento). 2. Produzione di energia (QC) inferiore alla richiesta di rete. 3. Produzione di energia (QC=QL+QS) superiore alla richiesta di rete. L eccesso viene stoccato (+QS). 4. Produzione di energia (QC=QL+QD) superiore alla richiesta di rete. L eccesso viene buttato se il sistema di stoccaggio è saturo (QD). 5. Produzione di energia (QC) inferiore alla richiesta di rete. 6. Produzione di energia dallo stoccaggio (-QS). 7. Produzione di energia dal sistema ausiliario (QA). Fonte: William B. Stine and Michael Geyer, Power From The Sun, 2001 IV - 16
Stoccaggio calore Vasche isolate Sistema attualmente utilizzato in situazione commerciale Stoccaggio chimico Problemi: nessun processo attualmente provato in situazione commerciale Batterie Problemi: costo vita utile (numero di cicli di carica/scarica) Fonte: William B. Stine and Michael Geyer, Power From The Sun, 2001 Processo Zolfo-Iodio (ENEA) IV - 17
Collettori non focalizzanti Vantaggi: costo alta accettanza angolare Fonte: William B. Stine and Michael Geyer, Power From The Sun, 2001 IV - 18
Accoppiamento Solare Termodinamico/ Dissalatori Principio: utilizzare concentratori solari per produrre elettricità e calore con cui dissalare acqua (scarsa dove c è una grande insolazione). RO=Reverse Osmosis MED=MultiEffect Desalination Problema: la desalinizzazione richiede una fornitura continua di energia Fonte: Progetto AQUA-CSP, German Aerospace Center IV - 19
Collettore solare termico Elementi: lastra di vetro che fa passare le radiazioni Assorbitore - piastra di rame (buon conduttore) in cui sono ricavati molti canali dove circola un fluido (acqua o aria) isolante termico, che impedisce la dispersione del calore contenitore che è semplicemente una scatola contenente tutti gli elementi precedenti Il sole scalda la piastra e quindi il fluido che, mediante tubi, viene portato all esterno fino all apparecchio utilizzatore (serbatoio di acqua). IV - 20
Collettore solare termico Elementi: lastra di vetro che fa passare le radiazioni Assorbitore - piastra di rame (buon conduttore) in cui sono ricavati molti canali dove circola un fluido (acqua o aria) isolante termico, che impedisce la dispersione del calore contenitore che è semplicemente una scatola contenente tutti gli elementi precedenti Il sole scalda la piastra e quindi il fluido che, mediante tubi, viene portato all esterno fino all apparecchio utilizzatore (serbatoio di acqua). IV - 21
Un po di conti η=i coll /I inc (%) 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% I inc = intensità solare ( 1 kw/m 2 ) τ = coefficiente di trasmissione del vetro ( 0,9) α = coefficiente di assorbimento ( 0,9) T ass = temperatura dell assorbitore ( 100 C) T amb = temperatura dell ambiente ( 20 C) U eff = coefficiente di trasmissione termica del collettore ( 4x10-3 kw/m 2 K) I perd = U eff (T ass - T amb ) = perdite del collettore per trasmissione ( 0,32 kw/m 2 ) I coll = I inc τ α - I perd = intensità del collettore ( 0,49 kw/m 2 ) A = area collettore ( 1 m 2 ) m = massa d acqua del serbatoio ( 100 litri = 100 kg) c = calore specifico dell acqua ( = 4,186 kj/kg K) ΔT serb = aumento di temperatura dell acqua del serbatoio ( 40 C) Δt = (mcδt serb )/(I coll A) = 9.5 ore 0% 0 20 40 60 80 100 120 140 ΔT coll /I inc (K/kW/m 2 ) IV - 22
Solare termico installato 12000 10000 MWp cumulativo 8000 6000 4000 2000 0 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Italia Germania IV - 23